機(jī)械制造自動(dòng)化論文

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1、機(jī)械制造自動(dòng)化論文 機(jī)械制造自動(dòng)化論文 專 業(yè) 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 摘 要 本設(shè)計(jì)以水平四自由度裝配機(jī)器人大小手臂為研究對(duì)象，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用UG的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真功能，對(duì)水平四自由度裝配機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性做了深入研究。仿真分析結(jié)果可以指導(dǎo)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或調(diào)整零件的材料的選擇。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于提高工業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)，降低產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本具有很大的作用。 首先建立了水平四自由度裝配機(jī)器人整體的模型，并依據(jù)

2、以上模型建立了水平二連桿機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，從理論上對(duì)水平二連桿機(jī)器人大小手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行研究。 在機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析方面，利用UG做運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，可以得到各桿件的任一點(diǎn)的位置、速度、加速度、作用力、力矩、各連桿的動(dòng)能和機(jī)械手的總動(dòng)能等。以上信息的取得對(duì)于機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)可以起到支持作用。 關(guān)鍵詞：水平四自由度裝配機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；動(dòng)力學(xué)分析；仿真 Abstract In this article, we aim to design a planar four-DOF ass

3、embly robot arm. Using virtual Prototyping Technology designs mechanism system. We utilize the kinematics and dynamics simulation function of virtual prototype software UG to get the kinematics and dynamics characteristic of the planar four-DOF assembly robot arm. The simulation results of the analy

4、sis can help us modify the material of part and improve the structure design. Applying virtual Prototyping Technology is important for improving the quality of product and decrease the case of product. We first build the model of the planar four-DOF assembly robot; then establish the kinematics and

5、 dynamics equation of the planar four-DOF assembly robot arm, and do some theoretical research on the kinematics and dynamics characteristics of the robot arm. For the two-bar robot arm, we focus merely the whole kinetic energy at horizontal condition, and neglect the change of potential energy due

6、to the bending deflection of the robot arm. In the simulation of the kinematics and dynamics of robot arm, we use UG to get the displacement, speed, acceleration, force, torque, kinetic energy of each link and the whole kinetic energy of robot arm, etc. Such information will support the design of

7、 robot arm. Key word: Planar four-DOF assembly robot; Kinematics analysis; Dynamics analysis, Simulation 目 錄 第一章 緒論---------------------------------------------------------1 1.1 工業(yè)機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概括------------------------------------1 1.1.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)概況----------------------------------

8、----------1 1.1.2 世界工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況----------------------------------1 1.1.3 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況及主要研究?jī)?nèi)容----------------------3 1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的重要作用----------------------------------------------7 1.3 本課題研究的意義和目的--------------------------------------------9 1.3.1 課題的意義----------------------------------------

9、-------9 1.3.2 課題的目的-------------------------------------------------10 1.4 本課題的研究的方法-------------------------------------------10 第二章 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)情況------------12 2.1 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案----------------------------12 2.1.1 總體設(shè)計(jì)方案的構(gòu)思-------------------------------------------12 2.1.2 大

10、臂和小臂模組的設(shè)計(jì)構(gòu)思-------------------------------------16 2.1.3 Z軸模組的設(shè)計(jì)構(gòu)思-----------------------------------------18 2.2 裝配工業(yè)機(jī)器人的外形尺寸和工作空間---------------------------------19 2.3 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)------------------20 2.3.1 第一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)---------------------------------------20 2.3.2 第二關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)---------

11、------------------------------------21 2.3.3 第三、第四關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)----------------------------------------22 第三章 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的建模----------------------24 3.1 建立各裝配部件3D模型------------------------------------------24 3.2 建立總裝配3D模型----------------------------------------------26 第四章 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析------

12、--------29 4.1 在X-Y平面內(nèi)建立二連桿的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法模型-----------------------------29 4.2 二連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-------------------------------------30 4.2.1 二連桿機(jī)構(gòu)在X-Y平面內(nèi)的空間示意圖----------------------------30 4.2.2 二連桿機(jī)構(gòu)在X-Y平面內(nèi)位置和姿態(tài)的數(shù)學(xué)描述--------------------30 4.2.3 齊次坐標(biāo)變換------------------------------------------------

13、-31 4.3物體的變換與逆變換-------------------------------------------------31 4.3.1 物體的位置描述-----------------------------------------------31 4.3.2 齊次變換的逆變換---------------------------------------------31 4.3.3 變換方程初步-------------------------------------------------31 4.4 UG的水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析---------

14、----------------32 4.4.1 機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)---------------------------------------------32 4.4.2 機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)---------------------------------------------32 4.5 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析-----------------------------------------------------33 4.5.1 廣義坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)曲線-------------------------------------36 4.5.2 速度約束方程和時(shí)間的函數(shù)曲線---

15、------------------------------36 4.5.3 加速度約束方程和時(shí)間的函數(shù)曲線-------------------------------37 第五章 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析--------------37 5.1 二連桿機(jī)器人手臂動(dòng)力學(xué)方程的建立方法-------------------------------38 5.1.1 速度的計(jì)算---------------------------------------------------38 5.1.2 動(dòng)能的計(jì)算--------------------------------

16、-------------------39 5.1.3 動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)---------------------------------------------40 5.2 二連桿機(jī)構(gòu)的點(diǎn)到點(diǎn)動(dòng)力學(xué)仿真---------------------------------------41 5.2.1 二連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)能變化關(guān)系---------------------------------------42 5.2.2 二連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩變化關(guān)系---------------------------------------42 第六章 總結(jié)------------------------

17、---------------------------------45 致謝-----------------------------------------------------------------46 參考文獻(xiàn)------------------------------------------------------------47 47 第一章 緒論 1.1 工業(yè)機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)和發(fā)展概況 1.1.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)概況 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)

18、電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。 虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototyping Technology）是利用軟件所提供的各零部件的物理和幾何信息，直接在計(jì)算機(jī)上對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行3D建模和虛擬裝配；從而獲得基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)數(shù)字模型—即虛擬樣機(jī)（Virtual Prototype）

19、，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。這種方法使設(shè)計(jì)人員能在計(jì)算機(jī)上快速試驗(yàn)多種設(shè)計(jì)方案，直至得到最優(yōu)化結(jié)果，從而大幅度縮短了開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。因此，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)降低開發(fā)成本的目的。 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。因此，各國(guó)都很重視工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)

20、用。 1.1.2 世界工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況 近代工業(yè)機(jī)器人的原型可以從1948年算起，當(dāng)時(shí)美國(guó)原子能委員會(huì)的阿貢研究所為適應(yīng)核技術(shù)發(fā)展的需要開發(fā)了處理放射性材料的主從機(jī)械手[1]。1954年，喬治.德沃爾提出了“通用重復(fù)操作機(jī)器人的方案”并研制出了第一臺(tái)通用工業(yè)機(jī)器人(Engelberberger)，這是一臺(tái)將遙控操作器的連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控銑床的伺服軸結(jié)合起來(lái)的設(shè)備。1962年，喬治.德沃爾與Engelberberger合作創(chuàng)建的美國(guó)萬(wàn)能自動(dòng)化(Unimation)公司的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate在美國(guó)通用汽車公司(GE)投入使用，這標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生[1][2]。 由于歷史條

21、件和技術(shù)水平的關(guān)系，60年代工業(yè)機(jī)器人發(fā)展較慢；進(jìn)入70年代后，焊接，噴漆機(jī)器人相繼在工業(yè)中應(yīng)用和推廣。到1980年全世界約有2萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用，而到1985年底就達(dá)到了1000萬(wàn)臺(tái)。 國(guó)外專家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)的統(tǒng)計(jì)，世界機(jī)器人市場(chǎng)前景2看好，從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好勢(shì)頭。全世界工業(yè)機(jī)器人的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場(chǎng)是波浪式向前發(fā)展的，15年來(lái)已經(jīng)出現(xiàn)3次馬鞍形曲線。第一次在80年代中期(1985~1987)，那是由于第一代工業(yè)機(jī)器人在

22、一些發(fā)達(dá)國(guó)家汽車工業(yè)中的應(yīng)用漸達(dá)飽和，以及日元不斷升值所至。1988年后，隨著電子行業(yè)工業(yè)機(jī)器人的大量應(yīng)用及日本經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，工業(yè)機(jī)器人增長(zhǎng)率開始回升，1990年達(dá)到高峰。1992~1994年又出現(xiàn)了第二次馬鞍形，由1990年的最高紀(jì)錄年產(chǎn)8.1萬(wàn)臺(tái)降為1994年的5.3萬(wàn)臺(tái)，主要原因還是日本經(jīng)濟(jì)不景氣的影響。1995年開始復(fù)蘇，1997年新安裝8.7萬(wàn)臺(tái)，創(chuàng)歷史最高紀(jì)錄，而1998年實(shí)際訂貨7.1萬(wàn)臺(tái)，銷售額比上一年下降16%，出現(xiàn)了第三個(gè)馬鞍形，是由于日，韓兩國(guó)銷售額大幅下降所致。1999年回升，主要原因是北美和歐洲訂單的增長(zhǎng)[3]。 進(jìn)入21世紀(jì)，機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長(zhǎng)率平均在1

23、0％左右。2004年增長(zhǎng)率達(dá)到創(chuàng)記錄的20％。其中，亞洲機(jī)器人增長(zhǎng)幅度最為突出，高達(dá)43%。 隨著電子計(jì)算機(jī)，自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在一些國(guó)家發(fā)展起來(lái)了。在普及第一代工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，目前第二代工業(yè)機(jī)器人已推廣成為主流安裝機(jī)型；第三代智能機(jī)器人也已發(fā)展起來(lái)。 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有如下特點(diǎn)： 機(jī)械結(jié)構(gòu)方面：以關(guān)節(jié)型為主流，80年代開發(fā)的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占總量的1/3； 控制技術(shù)方面：大多采用32位CPU，控制軸數(shù)多達(dá)27軸；采用通用機(jī)器人編程語(yǔ)言，基于PC的開放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一股潮流； 驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面：80年代發(fā)展起來(lái)的AC

24、伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在遠(yuǎn)程控制中已采用分布式智能驅(qū)動(dòng)新技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)通訊方式多采用Ether網(wǎng)通訊方式，其它采用RS-232、RS-485等通訊接口； 高速、高精度、多功能化：目前，最快的裝配機(jī)器人最小合成速度為16.5m/s，位置重復(fù)精度0.01mm； 集成化與系列化：當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展，多個(gè)機(jī)器人與微機(jī)、周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個(gè)多智能體； 到了90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。 在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展方面

25、：通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國(guó)KUKA公司為代表的機(jī)器人公司，已將工業(yè)機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，拓展了工業(yè)機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了工業(yè)機(jī)器人的性能。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī)，使工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為免維護(hù)系統(tǒng)。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過(guò)去工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)，幾乎可以滿足任何場(chǎng)合的需求[6]。 當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向是探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)

26、載/自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 在非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展方面：隨著人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對(duì)機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對(duì)外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 1.1.3 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況及主要研究?jī)?nèi)容 1.1.3.1 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概括 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比有一定的距

27、離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的0.4%[4]。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 縱觀目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)增長(zhǎng)異常迅猛；從銷售量上更是充分說(shuō)明了這個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。在中國(guó)市場(chǎng)上占有35％市場(chǎng)份額的ABB

28、公司2004年在中國(guó)賣出了600臺(tái)機(jī)器人。而該公司在過(guò)去9年中一共才在中國(guó)大陸市場(chǎng)銷售了2000臺(tái)機(jī)器人。專家預(yù)測(cè)，中國(guó)機(jī)器人到2010年擁有量將達(dá)到17300臺(tái)，到2015年，市場(chǎng)容量將達(dá)十幾萬(wàn)臺(tái)（套）。據(jù)悉，汽車制造、工程機(jī)械及電機(jī)、電子等行業(yè)的企業(yè)是中國(guó)今后對(duì)機(jī)器人需求最大的部門，其中所需機(jī)器人的品種以點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)、沖壓等為主。 1.1.3.2 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)主要的研究?jī)?nèi)容： （1） 工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究 ① 關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)。 ② 柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)：柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服

29、軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)，整機(jī)安全防爆、防護(hù)技術(shù)開發(fā)，高速噴杯噴涂工藝研究。 ③ 焊接機(jī)器人（把弧焊與點(diǎn)焊機(jī)器人作為負(fù)載不同的一個(gè)系列機(jī)器人，可兼作弧焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)。 ④ 弧焊機(jī)器人用激光視覺(jué)焊縫跟蹤裝置的開發(fā)：激光發(fā)射器的選用，CCD成像系統(tǒng)，視覺(jué)圖象處理技術(shù)，視覺(jué)跟蹤與機(jī)器人協(xié)調(diào)控制。 ⑤ 焊接機(jī)器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。 ⑥ 電子行業(yè)用裝配機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)。 ⑦ 批量生產(chǎn)機(jī)器人所需的專用制造、裝配、測(cè)試設(shè)備和工具的研究開發(fā)。 （2） 智能機(jī)器人開發(fā)研究 ①

30、遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略研究 包括建模－遙控機(jī)器人模型，人行為模型，人控制動(dòng)態(tài)建模，圖形仿真建模，虛擬工具和虛擬傳感器建模；以人為主體的人機(jī)共享規(guī)劃與控制；局部自治控制；多傳感融合技術(shù)；雙向力反應(yīng)控制；知識(shí)庫(kù)的建立，學(xué)習(xí)與推理方法；人機(jī)交互的高級(jí)控制技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）控制與真實(shí)世界控制的相互關(guān)系；監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 ② 智能移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航和定位技術(shù)研究 包括導(dǎo)航和定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；在結(jié)構(gòu)環(huán)境或非結(jié)構(gòu)環(huán)境中導(dǎo)航和定位方法研究；感知系統(tǒng)的傳感器和信息處理系統(tǒng)的構(gòu)成；根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)建立環(huán)境模型的方法；模糊邏輯的推理方法用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的研究。 ③ 面向遙控機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)

31、系統(tǒng) 包括人機(jī)交互圖形生成及其程序設(shè)計(jì)；遙控機(jī)器人（載體和機(jī)械手）幾何動(dòng)態(tài)圖形建模；遙控操作環(huán)境圖形建模；遙控機(jī)器人操作與數(shù)據(jù)的獲??；虛擬傳感器及基于虛擬傳感器的雙向力反應(yīng)、反饋控制；面向任務(wù)的虛擬工具；基于虛擬現(xiàn)實(shí)的遙控操作的理論與方法；基于VR模型操作和真實(shí)世界操作的可切換、相容性和可交換性；VR監(jiān)控系統(tǒng)。 ④ 人機(jī)交互環(huán)境建模系統(tǒng) 包括CAD建模中的人機(jī)交互技術(shù)；求知模型工件的反示過(guò)程中的交互技術(shù)；機(jī)器人與環(huán)境的布局及功能驗(yàn)證中的交互技術(shù)；傳感器數(shù)據(jù)處理中的交互技術(shù)；機(jī)器人標(biāo)定、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、動(dòng)力學(xué)建模中的交互技術(shù)。 ⑤ 基于計(jì)算機(jī)屏幕的多機(jī)器人遙控技術(shù) 包括三維立體視覺(jué)建模

32、；模型的計(jì)算機(jī)顯示；遙控機(jī)器人模型的控制；人機(jī)接口；網(wǎng)絡(luò)通訊。 （3） 機(jī)器人化機(jī)械研究開發(fā) ① 并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床（VMT）與機(jī)器人化加工中心（RMC）開發(fā)研究 包括VMT與RMC智能化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)技術(shù)；VMT與RMC關(guān)鍵傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)；VMT與RMC加工、裝配、擺放、涂膠、檢測(cè)作業(yè)技術(shù)；VMT與RMC監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)開發(fā)；VMT與MRC智能化開式CMC控制系統(tǒng)開發(fā)；系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件開發(fā)；智能化機(jī)構(gòu)、材料機(jī)電一體化技術(shù)；作業(yè)狀態(tài)變量智能化傳感技術(shù)；機(jī)電一體化的多功能及靈巧作業(yè)終端；通用智能化開式CNC控制硬軟件系統(tǒng)；并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)理論；RMC智能控制理論；VMT與RMC典型應(yīng)用工程開發(fā)。

33、 ② 機(jī)器人化無(wú)人值守和具有自適應(yīng)能力的多機(jī)遙控操作的大型散料輸送設(shè)備 包括散料輸送系統(tǒng)監(jiān)控和遙控操作的傳感器融合和配置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃在等量堆取料、自主操作中的應(yīng)用；基于廣域網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通訊；具有監(jiān)測(cè)和管理功能的故障診斷系統(tǒng)。 （4） 以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng) ① 開放式模塊化裝配機(jī)器人 包括通用要素的提?。粚Ｓ眉?biāo)準(zhǔn)化；裝配機(jī)器人模塊CAD設(shè)計(jì)；通用主流計(jì)算機(jī)構(gòu)造的控制器；人機(jī)界面方式；網(wǎng)絡(luò)功能。 ② 面向機(jī)器人裝配的設(shè)計(jì)技術(shù) 包括數(shù)字化裝配與CAD集成技術(shù)；產(chǎn)品機(jī)器人化裝配規(guī)劃生成技術(shù)；產(chǎn)品可裝配性模糊評(píng)價(jià)。 ③ 機(jī)器人柔性

34、裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù) 其中單元技術(shù)：供料系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)、末端執(zhí)行器快速執(zhí)行、物流傳輸及其控制與通訊；集成技術(shù)：柔性裝配線仿真軟件、管理系統(tǒng)。 ④ 可重構(gòu)機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù) 開展基于任務(wù)和環(huán)境的動(dòng)態(tài)重構(gòu)機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)理論研究；系統(tǒng)基于自治體（Agent）的分布式控制技術(shù)及系統(tǒng)各單元體間的協(xié)作規(guī)劃。 ⑤ 裝配力覺(jué)、視覺(jué)技術(shù) 包括高精度、高集成化六維腕力傳感技術(shù)；視覺(jué)識(shí)別與定位技術(shù)。 ⑥ 智能裝配策略及其控制 包括裝配狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控；裝配順序和路徑智能規(guī)劃及控制技術(shù)。 （5） 多傳感器信息融合與配置技術(shù) ① 機(jī)器人的傳感器配置在水泥生產(chǎn)過(guò)程控制和污水處理自動(dòng)控

35、制系統(tǒng)中的應(yīng)用 包括面向工藝過(guò)程的多傳感器融合和配置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)；面向工藝要求的新型傳感器研制。 ② 機(jī)電一體化智能傳感器 包括具有感知、自主運(yùn)動(dòng)、自清污（自調(diào)整、自適應(yīng)）的機(jī)電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和清污的自主運(yùn)動(dòng)；調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在近幾年的發(fā)展中，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開

36、發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品[5]。 1.2虛擬樣機(jī)技術(shù)的重要作用 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，近年來(lái)在對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析中，出現(xiàn)了虛擬樣機(jī)技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototyping Technology）是一項(xiàng)新生的工程技術(shù)；它采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)CAD/CAM/CAE等技術(shù)把產(chǎn)品的資料集成到一個(gè)可視化的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的

37、仿真和分析。虛擬樣機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)的初級(jí)階段---概念設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行完整的分析，可以觀察并試驗(yàn)各組成部件的相互運(yùn)動(dòng)情況。使用系統(tǒng)仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，它可以在計(jì)算機(jī)上方便地修改設(shè)計(jì)缺陷，仿真實(shí)驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)不斷改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案以后，再做出物理樣機(jī)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究范圍主要是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，其核心是利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行了機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，同時(shí)，通過(guò)求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的作用力及其反作用力等。 任何一項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)生及廣泛應(yīng)用都有其

38、原因，其中最重要的是市場(chǎng)的需求和技術(shù)本身的成熟程度。虛擬樣機(jī)技術(shù)的起源有其經(jīng)濟(jì)背景。隨著經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的全球化，要想在競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的市場(chǎng)上取勝，縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本以及對(duì)市場(chǎng)的靈活反應(yīng)成為競(jìng)爭(zhēng)者們所追求的目標(biāo)。誰(shuí)早推出產(chǎn)品，誰(shuí)就占有市場(chǎng)。然而，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造方式無(wú)法滿足這些要求。 在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，首先是概念設(shè)計(jì)和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有時(shí)這些實(shí)驗(yàn)甚至是破壞性的。當(dāng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，又要回頭修改設(shè)計(jì)并再用樣機(jī)驗(yàn)證。只有通過(guò)周而復(fù)始的設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)—設(shè)計(jì)過(guò)程，產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。這一過(guò)程是冗長(zhǎng)的，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的

39、系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)周期無(wú)法縮短，更不用談對(duì)市場(chǎng)的靈活反應(yīng)了。樣機(jī)的單機(jī)手工制造增加了成本。在大多數(shù)情況下，工程師為了保證產(chǎn)品按時(shí)投放市場(chǎng)而中斷這一過(guò)程，使產(chǎn)品在上市時(shí)便有了先天不足的毛病。在競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)背景下，基于實(shí)際樣機(jī)上的設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高，成本的降低和對(duì)市場(chǎng)的占有。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用貫穿在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中。它可以用在概念設(shè)計(jì)和方案論證中，設(shè)計(jì)師可以把自己的經(jīng)驗(yàn)與想象結(jié)合在計(jì)算機(jī)里的虛擬模型里，讓想象力和創(chuàng)造力充分發(fā)揮。當(dāng)虛擬模型用來(lái)代替實(shí)際模型驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)，開發(fā)周期縮短，設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率得到了提高。 1997年7月4日，美國(guó)航空航天局（NASA）的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）

40、成功地實(shí)現(xiàn)了火星探測(cè)器“探路者”在火星上的軟著陸，成為轟動(dòng)一時(shí)的新聞。但人們并不知道，如果不是采用了該項(xiàng)技術(shù)，這個(gè)計(jì)劃可能要失敗。在探測(cè)器發(fā)射以前，JPL的工程師們運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)預(yù)測(cè)到由于制動(dòng)火箭與火星風(fēng)的相互作用，探測(cè)器很可能在著陸時(shí)滾翻并最后6輪朝上。工程師們針對(duì)這個(gè)問(wèn)題修改了技術(shù)方案，保證了火星登陸計(jì)劃的成功。 福特汽車公司在一個(gè)新車型的開發(fā)中也采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，其設(shè)計(jì)周期縮短了70天。全公司范圍內(nèi)，由于采用了這項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)費(fèi)用減少了0.4億美元，制造費(fèi)用節(jié)省了510億美元。由于設(shè)計(jì)制造周期的縮短，新車上市早，額外贏利達(dá)到其成本的數(shù)倍。 世界上最大的工程機(jī)械制造商卡特彼勒公司的工

41、程師們?cè)诮?jīng)過(guò)幾天培訓(xùn)后，采用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行裝載機(jī)和挖掘機(jī)的工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析，在一天時(shí)間內(nèi)，他們對(duì)工作裝置進(jìn)行了上萬(wàn)個(gè)工位的運(yùn)動(dòng)及受力分析，很容易地實(shí)現(xiàn)了理想的設(shè)計(jì)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)在技術(shù)與市場(chǎng)兩個(gè)方面的成熟也與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的成熟及大規(guī)模推廣應(yīng)用是分不開的。首先，CAD中的三維幾何造型技術(shù)能夠使設(shè)計(jì)師們的精力集中在創(chuàng)造性設(shè)計(jì)上，把繪圖等煩瑣的工作交給計(jì)算機(jī)去做。這樣設(shè)計(jì)師就有額外的精力關(guān)注設(shè)計(jì)的正確和優(yōu)化問(wèn)題。其次，三維造型技術(shù)使虛擬樣機(jī)技術(shù)中的機(jī)械系統(tǒng)描述問(wèn)題變得簡(jiǎn)單。第三，由于CAD強(qiáng)大的三維幾何編輯修改技術(shù)，使機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的快速修改變?yōu)榭赡?，在這基礎(chǔ)上，在計(jì)算機(jī)上的設(shè)計(jì)

42、實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)的反復(fù)過(guò)程才有時(shí)間上的意義。 虛擬樣機(jī)技術(shù)是許多技術(shù)的綜合。它的核心部分是多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)。作為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)分支的數(shù)值算法及時(shí)地提供了求解這種問(wèn)題的有效的快速算法。近年來(lái)的計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)及動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展為這項(xiàng)技術(shù)提供了友好的用戶界面。CAD/FEA等技術(shù)的發(fā)展為虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)環(huán)境。 虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)當(dāng)屬于計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的一個(gè)分支。隸屬于CAE的其他分支有限元技術(shù)等。虛擬樣機(jī)技術(shù)區(qū)別于其他分支之外在于它是從系統(tǒng)的層面來(lái)分析系統(tǒng)，而與有限元有關(guān)的技術(shù)分支所進(jìn)行的是部件的分析。正由于此，虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方法和過(guò)程的影響要比有限元技術(shù)

43、帶來(lái)的影響要大。虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅幫助企業(yè)縮短生產(chǎn)周期，降低成本和提高質(zhì)量，而且改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的順序。 過(guò)去的設(shè)計(jì)方式是由下到上：從部件設(shè)計(jì)到整機(jī)設(shè)計(jì)。這種方式的弊端是設(shè)計(jì)師往往把注意力集中在細(xì)節(jié)而忽略了整體性能。這種事情在我國(guó)常發(fā)生，尤其在對(duì)國(guó)外引進(jìn)樣機(jī)的消化上，在整機(jī)性能還沒(méi)有吃透的情況下就開始照抄零件。借助于虛擬樣機(jī)技術(shù)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程被逆轉(zhuǎn)了。設(shè)計(jì)過(guò)程先從整機(jī)開始，按照由上至下的順序進(jìn)行。這樣可以避免代價(jià)昂貴的在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的失誤。當(dāng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人時(shí)，可以依技術(shù)指標(biāo)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)確定工作裝置的參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)在初期設(shè)計(jì)階段完成。對(duì)于初期階段的虛擬樣機(jī)的仿真結(jié)果可以作為零件設(shè)計(jì)的參考。

44、 虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域里：汽車制造業(yè)，工程機(jī)械，航空航天業(yè)，國(guó)防工業(yè)及通用機(jī)械制造業(yè)。所涉及到的產(chǎn)品從龐大的卡車到照相機(jī)的快門，天上的火箭到海上的輪船。在各個(gè)領(lǐng)域里，針對(duì)各種產(chǎn)品，虛擬樣機(jī)技術(shù)都為用戶節(jié)省了時(shí)間，降低了成本并提供了滿意的設(shè)計(jì)方案。 1.3 本課題研究的意義和目的 1.3.1 課題的意義 希望通過(guò)本課題的研究，掌握基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的水平四自由度工業(yè)機(jī)器人手臂機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并將研究成果應(yīng)用到企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際中；同時(shí)通過(guò)本課題的研究，可以掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，并將這些先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到其它自化設(shè)備的開發(fā)當(dāng)中；最終實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)

45、成本。 1.3.2 課題的目的 本課題的研究主要有兩個(gè)目的： 目的一、解決本企業(yè)生產(chǎn)中存在的實(shí)際問(wèn)題，為企業(yè)降低成本、增加效益、提高競(jìng)爭(zhēng)力做出貢獻(xiàn) 1)本企業(yè)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀： 由于國(guó)家和地方出臺(tái)的各種保護(hù)勞動(dòng)者利益的政策，使企業(yè)人力成本提高； 為了保證產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性，企業(yè)有開發(fā)自動(dòng)化設(shè)備來(lái)代替人工的需求； 目前，公司自主開發(fā)的自動(dòng)化設(shè)備均為剛性機(jī)，只能針對(duì)單一產(chǎn)品； 電子產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快； 電子產(chǎn)品向輕、薄、短、小方向發(fā)展，人工作業(yè)精度越來(lái)越難滿足生產(chǎn)要求； 2)解決對(duì)策： 導(dǎo)入泛用型、柔性化、高精度的自動(dòng)化設(shè)備是必由之路；而這種自動(dòng)化設(shè)備最典型的代

46、表就是工業(yè)機(jī)器人。 3)生產(chǎn)中成功導(dǎo)入工業(yè)機(jī)器人的途徑： 在市場(chǎng)上采購(gòu)工業(yè)機(jī)器人：優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)、精度高；缺點(diǎn)：價(jià)格貴、對(duì)前期培訓(xùn)和售后服務(wù)要求高； 自主開發(fā)：優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低、功能滿足企業(yè)實(shí)際需求；培養(yǎng)企業(yè)內(nèi)工程技術(shù)人員的開發(fā)能力。缺點(diǎn)：沒(méi)有相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)必須尋求外部資源的協(xié)助；需要較長(zhǎng)的開發(fā)周期。 從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，自主開發(fā)是必由之路! 目的二、通過(guò)論文的實(shí)施，可以學(xué)到先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法；并把這些設(shè)計(jì)方法應(yīng)用在其他自動(dòng)化產(chǎn)品的開發(fā)中； 1.4 本課題的研究的方法 1、初步確定四自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)； 2、初步確定四自由度機(jī)器人的尺寸方案； 3、初步確定四自由度機(jī)器人的工作空間合理分布；

47、4、確定四自由度機(jī)器人的傳動(dòng)方式； 建立水平四自由度機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程，并利用UG的運(yùn)動(dòng)分析模塊 1、水平四自由度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析； 2、水平四自由度機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析； 最終確定水平四自由度機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)。 第二章 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 2.1 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案 2.1.1 總體設(shè)計(jì)方案的構(gòu)思 本課題是為了解決電子產(chǎn)業(yè)裝配生產(chǎn)中存在的多品種小批量生產(chǎn)模式而開發(fā)的裝配工業(yè)機(jī)器人。 從應(yīng)用環(huán)境來(lái)分析： 一、 工業(yè)機(jī)器人需要如下四個(gè)自由度，大小臂在XY平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，Z軸上下移動(dòng)以及Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，在這個(gè)四自由度下工作就可以滿足絕大多數(shù)的裝配

48、應(yīng)用； 1. 工作范圍的確定： 工業(yè)機(jī)器人工作的范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定。一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡一般是由幾個(gè)動(dòng)作合成的；在確定工作范圍時(shí)，可將運(yùn)動(dòng)軌跡分解成單個(gè)動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定工業(yè)機(jī)器人的最大行程。各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定之后，工業(yè)機(jī)器人的工作范圍即可確定。 2. 大小臂尺寸的確定： 裝配生產(chǎn)中所用裝配流水線的寬度一般為700mm~800mm左右，如果工業(yè)機(jī)器人手臂置于流水線的中間位置，考慮其大小臂長(zhǎng)度之和為380mm則可以滿足需求。 3. Z軸平移及旋轉(zhuǎn)行程的確定： 為了使工業(yè)機(jī)器人手臂與流水線手工作業(yè)人員很好的結(jié)合，工業(yè)機(jī)器人手臂Z軸的位置高度應(yīng)與人工治具

49、高度相當(dāng)，同時(shí)考慮到對(duì)不同產(chǎn)品的泛用性，Z軸上下運(yùn)動(dòng)位移須達(dá)到180mm，符合人手上下取放的高度；Z軸旋轉(zhuǎn)須360，以實(shí)現(xiàn)不同角度的裝配。 4. 臂力的確定： 對(duì)于裝配工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，臂力主要根據(jù)被抓取、搬運(yùn)物體的重量及重量變化范圍來(lái)定，其安全系數(shù)一般可在1.5~3.0范圍內(nèi)選取。 二、 面向的產(chǎn)品具有短、小、輕、薄的特點(diǎn)，要求裝配工業(yè)機(jī)器人有高精度，但載荷并不要求很大。 1. 根據(jù)電子產(chǎn)品的特點(diǎn)，短、小、輕、薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜；所以在裝配過(guò)程中，只有高精度才能保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞，從而保證品質(zhì)。 2. 工業(yè)機(jī)器人本身所能達(dá)到的定位精度，取決于定位方式、運(yùn)動(dòng)速度、控制方式、臂部剛度

50、、驅(qū)動(dòng)方式、緩沖方法等很多因素。所以在本課題中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行臂部剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在驅(qū)動(dòng)方式上采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，并以絕對(duì)式光電編碼器進(jìn)行工作位置的反饋。在傳動(dòng)方式上采用交流伺服電機(jī)+同步齒形帶和步進(jìn)電機(jī)+同步齒形帶兩種方式。保證求裝配工業(yè)機(jī)器人所需的精度。 3.根據(jù)電子產(chǎn)品短、小、輕、薄的特點(diǎn)，所以裝配工業(yè)機(jī)器人的最大載荷并不需要很大，最大載荷為3KG完全可以滿足要求。 三、 工業(yè)生產(chǎn)要求裝配工業(yè)機(jī)器人有高的生產(chǎn)效率，即在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成裝配和加工作業(yè)；裝配工業(yè)機(jī)器人工作速度越快，則生產(chǎn)效率就越高。 裝配工業(yè)機(jī)器人各動(dòng)作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分

51、配每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，進(jìn)而確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度；如裝配工業(yè)機(jī)器人要完成某一工件的上料過(guò)程，需要完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)等一系列動(dòng)作，這些動(dòng)作都應(yīng)該在工作節(jié)拍所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成；到于各動(dòng)作的時(shí)間究竟應(yīng)如何分配，則取決于很多因素，需要各種因素綜合考慮，比較平衡后，才能確定。 本課題中將各組件的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定如下：大臂旋轉(zhuǎn)200/S，MAX、小臂旋轉(zhuǎn)200/S，MAX、Z軸上下運(yùn)動(dòng)240mm/S，MAX、Z軸旋轉(zhuǎn)360/S，MAX。 裝配工業(yè)機(jī)器人工作速度固然是越快越好，但是由于速度越快，對(duì)系統(tǒng)要求就越高，包括：材料、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算精度等；所以本課題根據(jù)實(shí)際需要，本著量力而行的原則

52、，制定了如上的性能指標(biāo)。 基于以上考慮，把如上裝配工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)作如下設(shè)定： 開發(fā)四自由度(三轉(zhuǎn)一平移)、行程(回轉(zhuǎn)角度360，L1+L2=380mm)、最大搬運(yùn)重量(3KG)、最短循環(huán)時(shí)間(1s/cycle)的水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械手臂部分。 表2-1 裝配工業(yè)機(jī)器人整體要求 項(xiàng)目 設(shè)計(jì)要求 結(jié)構(gòu)類型 水平關(guān)節(jié)型工業(yè)裝配機(jī)器人 自由度 四個(gè)，包括：大臂旋轉(zhuǎn)、小臂旋轉(zhuǎn)、主軸上下運(yùn)動(dòng)、主軸旋轉(zhuǎn) 驅(qū)動(dòng)方式 交流伺服驅(qū)動(dòng)，絕對(duì)式光電編碼器反饋 傳動(dòng)方式 交流伺服電機(jī)+同步齒形帶，步進(jìn)電機(jī)+同步齒形帶、滾珠絲桿花鍵 表2-2 裝配工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo)

53、 項(xiàng)目 技術(shù)指標(biāo) 運(yùn)動(dòng)范圍 大臂旋轉(zhuǎn) 小臂旋轉(zhuǎn) Z軸上下運(yùn)動(dòng) Z軸旋轉(zhuǎn) 360 180 180mm 360 L1=161mm L2=219mm 最大速度 200/S 200/S 240mm/S 360/S 最大合成速度 2500 mm/S 最大載荷 3KG 重復(fù)定位精度 0.1mm 綜合以上水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的研究目標(biāo)、總體要求和主要技術(shù)指標(biāo)；對(duì)如上水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)做如下構(gòu)思： 1． 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)，液壓和氣動(dòng)三種。一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人可以只用一種驅(qū)動(dòng)方式，也可以采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)

54、動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式在選擇時(shí)主要考慮負(fù)載、效率、精度和環(huán)境等因素。液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，因此，大負(fù)載通常選用液壓驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低、適合節(jié)拍快、負(fù)載小且精度要求不高的場(chǎng)合。電動(dòng)系統(tǒng)適合于中等負(fù)載，特別適合動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人和各種微型機(jī)器人。 基于綜合因素的考慮，在本課題中，裝配工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)采用電動(dòng)方式。 2． 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式 關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)兩種方式。 直接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸和機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連。 間接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)裝置經(jīng)過(guò)減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等裝置與關(guān)節(jié)軸相連。 1） 關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式 關(guān)節(jié)直

55、接驅(qū)動(dòng)方式一般指驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)機(jī)械接口直接與關(guān)節(jié)連接。這種方式的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和關(guān)節(jié)之間沒(méi)有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。目前中小型工業(yè)機(jī)器人一般采用普通的直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作為工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行電機(jī)。由于電機(jī)速度較高，所以需配以大速比減速裝置，進(jìn)行間接傳動(dòng)。但是間接傳動(dòng)帶來(lái)了不可避免的誤差，引起沖擊振動(dòng)，影響工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性，并且增加關(guān)節(jié)重量和尺寸。 關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式和間接驅(qū)動(dòng)方式相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械傳動(dòng)精度高、振動(dòng)小，結(jié)構(gòu)剛度好、機(jī)械傳動(dòng)損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高、響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬。 關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式是一種極有發(fā)展前途的驅(qū)動(dòng)方式，許多國(guó)家為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高精度，高速度和高智

56、能；對(duì)關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式投入了大量的研究和開發(fā)。目前主要存在的問(wèn)題是： a． 載荷變化，耦合轉(zhuǎn)矩及非線性轉(zhuǎn)矩對(duì)驅(qū)動(dòng)及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難和復(fù)雜。 b． 對(duì)位置，速度的傳感元件提出了相當(dāng)高的要求。傳感器精度為帶減速裝置（速比為K）的間接驅(qū)動(dòng)方式的K倍以上。 c． 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/重量比和轉(zhuǎn)矩/體積比不大，需開發(fā)小型實(shí)用的電機(jī)；電機(jī)成本高。 d． 把電機(jī)直接安裝在關(guān)節(jié)上，增加了臂的總質(zhì)量，并且對(duì)下一個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生干擾，使工業(yè)機(jī)器人的負(fù)載能力和效率下降。 2） 關(guān)節(jié)間接驅(qū)動(dòng)方式 大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動(dòng)。這種間接驅(qū)動(dòng)，通常其驅(qū)動(dòng)器的輸出力矩大小于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所需要的力矩，所以

57、必須使用減速裝置。另外，手臂通常采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以多自由度機(jī)器工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)上安裝驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷增大。改善這一問(wèn)題的方法通常是經(jīng)過(guò)減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等裝置與關(guān)節(jié)軸相連，以驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。在本課題中，裝配工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式采用關(guān)節(jié)間接驅(qū)動(dòng)方式。 3． 材料的選擇 選擇工業(yè)機(jī)器人本體材料，應(yīng)從工業(yè)機(jī)器人的性能要求出發(fā)，滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作要求。工業(yè)機(jī)器人的材料并不是簡(jiǎn)單工業(yè)材料的組合，它應(yīng)是滿足工業(yè)機(jī)器人性能的材料，應(yīng)在充分掌握機(jī)器人的特性和各組成部分的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)思想出發(fā)，確定所用材料的特性，即必須事先充分領(lǐng)會(huì)機(jī)器人的概念和各組成部分的作用。

58、 機(jī)器人本體被用來(lái)支承，連接，固定機(jī)器人的各部分，當(dāng)然機(jī)器人本體所用的材料也是結(jié)構(gòu)材料。但機(jī)器人本體又不單是固定結(jié)構(gòu)件，比如，機(jī)器人臂是運(yùn)動(dòng)的；所以工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的材料質(zhì)量要輕。精密工業(yè)機(jī)器人對(duì)剛度有一定的要求，即對(duì)材料剛度有一定的要求。剛度設(shè)計(jì)時(shí)要考慮靜剛度和動(dòng)剛度，即要考慮振動(dòng)問(wèn)題。從材料角度看，控制振動(dòng)涉及到減輕重量和抑制振動(dòng)兩方面，本質(zhì)上就是材料內(nèi)部的能量損耗和剛度問(wèn)題，它與材料的抗振性緊密相關(guān)。傳統(tǒng)的工業(yè)材料與機(jī)器人材料之間的差別，在于機(jī)器人是伺服機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)是可控的，這就是傳統(tǒng)材料中所沒(méi)有的“被控性”。材料的被控性是與材料的結(jié)構(gòu)性、輕質(zhì)性和可加工性同樣重要的因素。材料的被控性取

59、決于材料的輕質(zhì)性、抗振性和彈性。工業(yè)機(jī)器人本體材料必須與材料的結(jié)構(gòu)性、輕質(zhì)性、剛性、抗振性和工業(yè)機(jī)器人整體性能一同考慮到。 工業(yè)機(jī)器人常用材料包括：碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼、鋁，鋁合金及其他輕合金材料、纖維增強(qiáng)合金、陶瓷、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、粘彈性大阻尼材料等。 4． 主要機(jī)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)和選擇 近年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人朝著智能化，標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。模塊化工業(yè)機(jī)器人得到重視，它是由一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊通過(guò)具有特定功能的結(jié)合部件，用積木拼搭的方式組成一個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外已研制和生產(chǎn)了各種不同的標(biāo)準(zhǔn)組件，如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、傳感器、手臂、手腕等。 因此，在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人時(shí)可選用標(biāo)準(zhǔn)

60、模塊，也可以自行設(shè)計(jì)一些專用部件。[1] 在本課題中，裝配工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分：固定部分和運(yùn)動(dòng)部分。固定部分包括底座、支架、主傳動(dòng)軸等。 運(yùn)動(dòng)部分即裝配工業(yè)機(jī)器人手臂部分，包括兩個(gè)模塊：大小臂模組和Z軸模組。本課題“水平四自由度裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)及仿真分析”主要就是針對(duì)裝配工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部分展開研究。 2.1.2 大臂和小臂模組的設(shè)計(jì)構(gòu)思 把工業(yè)機(jī)器人大臂和小臂作為一個(gè)模塊，兩臂之間由關(guān)節(jié)軸連接；關(guān)節(jié)軸中部固定一只皮帶輪，通過(guò)同步齒形帶傳遞動(dòng)力并帶動(dòng)小臂實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)作業(yè)；因?yàn)橥烬X形帶與皮帶輪之間是過(guò)盈配合，所以有效地消除了傳動(dòng)間隙。而整個(gè)二連桿系統(tǒng)由固定于支架上的主

61、軸驅(qū)動(dòng)，主軸，支架及底座部分對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性影響很??；所以對(duì)工業(yè)機(jī)器人手臂系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮此二連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。 ⑴ 關(guān)節(jié) 工業(yè)機(jī)器人中連接運(yùn)動(dòng)部分的機(jī)構(gòu)稱為關(guān)節(jié)（Joint），關(guān)節(jié)有轉(zhuǎn)動(dòng)型和移動(dòng)型，分別稱它為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。 ① 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（Rotary Joint）就是關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人中被稱為“關(guān)節(jié)”的連接部分，它既連接各機(jī)構(gòu)，又傳遞各機(jī)構(gòu)間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（或擺動(dòng)），用于基座與臂部、臂部之間、臂部和手等連接部位上。關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。關(guān)節(jié)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接方式有多種，因此轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)也有多種形式, 主要包含如下幾種： a． 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)軸同軸式；

62、b． 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)軸正交式； c． 外部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)臂部的形式； d． 驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部的形式； 用于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承有多種形式。工業(yè)機(jī)器人中軸承起著相當(dāng)重要的作用，主要采用滾動(dòng)軸承，最常用的有薄壁密封型球軸承。另外，還有一種能承受徑向載荷、軸向載荷和扭矩的角接觸球軸承（Cross roller bearing）。該軸承承載能力大，常用在擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)上。 ② 移動(dòng)關(guān)節(jié)（Slide Joint）由直線運(yùn)機(jī)構(gòu)和在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)起導(dǎo)向作用的直線導(dǎo)軌部分（Linear motion guide）組成。 本課題中的機(jī)械關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)全部使用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。 ⑵ 工業(yè)機(jī)器人手臂 圖

63、2-1 二連桿模組簡(jiǎn)圖 工業(yè)機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取重量、動(dòng)作自由度、運(yùn)動(dòng)精度等因素來(lái)確定。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮手臂的受力情況、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人手臂時(shí)一般要注意下述問(wèn)題： ① 承載能力足：手臂是支撐手腕的部件，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮抓取物體的重量，還要考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷。 ② 剛度高：為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 ③ 導(dǎo)向性能好，動(dòng)作迅速、靈活、平穩(wěn)，定位精

64、度高。為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高，定位前慣性力引起的沖擊也就越大，運(yùn)動(dòng)既不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設(shè)計(jì)上要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外，同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。 ④ 重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。為提高工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 ⑤ 合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位。臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到工業(yè)機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力，而且還直接影到工業(yè)機(jī)器人的外觀。 2.1.3 Z軸模組的設(shè)計(jì)構(gòu)思 Z軸整體作為另一個(gè)模塊，具有兩個(gè)自由度：手腕繞Z

65、軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和手腕沿Z軸的直線運(yùn)動(dòng)。在對(duì)工業(yè)機(jī)器人手臂做運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析時(shí)，Z軸模組可以作為載荷施加在小臂的前端，所以對(duì)工業(yè)機(jī)器人手臂做運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析主要是考慮二連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。 但是腕部作為為臂部與手部的連接部件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。手腕按自由度個(gè)數(shù)可分單自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕。采用幾個(gè)自由度的手腕應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作性能來(lái)確定。在很多情況下，腕部具有二個(gè)自由度：回轉(zhuǎn)和俯仰或回轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)。在一些特殊情況下，手腕還有直線移動(dòng)的自由度。 設(shè)計(jì)腕部時(shí)，一般要注意以下問(wèn)題： 1． 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 2． 動(dòng)作靈活，平穩(wěn)，定位精度高。 3． 強(qiáng)度，剛度

66、高。 4． 設(shè)計(jì)合理的手臂和手部的連接部位以及傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的布局和安裝。 由于Z軸模組目前在業(yè)界已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，采用已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的模塊，可以保證Z軸模塊質(zhì)量更輕、精度更高、壽命更長(zhǎng)、價(jià)格更低。 圖2-2 Z軸模組簡(jiǎn)圖 所以在本課題中，腕部的設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化的Z軸模組，它具有回轉(zhuǎn)和直線移動(dòng)兩個(gè)自由度。 2.2 裝配工業(yè)機(jī)器人的外形尺寸和工作空間 依照對(duì)水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)構(gòu)思，設(shè)計(jì)出的二維裝配草圖及如圖2-3所示； 圖2-3 裝配工業(yè)機(jī)器人的裝配圖 圖2-4 裝配工業(yè)機(jī)器人的工作空間圖 工作空間示意圖如圖2-4，大臂作為裝配機(jī)器人的粗定位，擁有360的旋轉(zhuǎn)空間。小臂進(jìn)行裝配的精細(xì)定位擁有180的旋轉(zhuǎn)空間。 2.3 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人手臂是裝配工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵部分，工業(yè)生產(chǎn)中要求裝配實(shí)現(xiàn)高速、高精度運(yùn)動(dòng)。 本課題中，根據(jù)預(yù)先擬定的參數(shù)，針對(duì)各細(xì)部進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2.3.1 第一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖2-5 第一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 如圖2-3裝配工業(yè)機(jī)器人的裝